Учёные из Токийского университета совместно с институтом RIKEN показали новый квантовый переключающий элемент, который может стать одним из направлений развития вычислительной техники после классических транзисторов. В отличие от обычной электроники, где информация кодируется движением электрического заряда, этот прототип использует спин электрона — квантовое свойство, которое можно переключать намного быстрее и с меньшими потерями энергии.

Транзисторы остаются основой современных процессоров, но у кремния есть физические ограничения. Чем быстрее и плотнее работают микросхемы, тем больше тепла они выделяют. Для дата-центров, ИИ-ускорителей и серверов это становится огромной проблемой: растёт энергопотребление, усложняется охлаждение, а дальнейшее ускорение становится всё труднее.

Японский прототип, названный энергонезависимым квантовым переключающим элементом, показал перезапись одного бита примерно за 40 пикосекунд. Для сравнения, современные кремниевые решения обычно работают на уровне около одной наносекунды. Также исследователи смогли переключить элемент за 60 пикосекунд с помощью ультракороткого лазерного импульса.

Устройство создано на основе тонких слоёв тантала и антиферромагнитного сплава марганца и олова. Благодаря спин-орбитальному крутящему моменту импульс меняет магнитное состояние материала, а данные сохраняются даже без питания. Это делает технологию потенциально интересной для энергонезависимой памяти нового поколения.

Особенно впечатляет живучесть: элемент выдержал более 100 миллиардов циклов без заметной деградации. Но важно понимать: пока это лабораторное доказательство концепции, а не готовый коммерческий чип. Учёным ещё предстоит избавиться от внешнего магнитного поля и создать интегральную микросхему. Первый рабочий прототип они хотят получить примерно к 2030 году.

Если технология дойдёт до массового производства, она может снизить энергопотребление дата-центров и ИИ-систем, а также стереть границу между оперативной памятью и постоянным хранилищем.

Исследователи из KAUST показали, что электронные устройства на основе бета-оксида галлия β-Ga₂O₃ способны работать при экстремально низких температурах — всего 2 К, что соответствует примерно −271 °C. Это почти абсолютный ноль и значительно ниже температур, при которых обычная электроника начинает сталкиваться с проблемами. По словам исследователей, большинство традиционных устройств начинают выходить из строя при температурах ниже примерно 100 К, потому что электроны «замерзают» и перестают нормально участвовать в проводимости.

Оксид галлия интересен тем, что относится к сверхширокозонным полупроводникам. Ранее этот материал уже показывал устойчивость к радиации и высоким температурам, а устройства на его основе могут работать даже при 500 °C с меньшими токами утечки. Теперь команда KAUST продемонстрировала и обратную сторону температурного диапазона: транзистор FinFET и логический инвертор на β-Ga₂O₃ с кремниевым легированием стабильно работали при 2 К.

Ключевая особенность в том, что при таких температурах почти нет тепловой энергии, которая помогала бы электронам переходить в зону проводимости. Но в β-Ga₂O₃ электроны могут проходить через примесную зону, созданную атомами кремния. Это позволяет устройству проводить ток даже в сверххолодном режиме. По словам KAUST, это первая демонстрация сверхширокозонного полупроводника, использованного для создания транзисторов и логических инверторов при таких низких температурах.

Такой результат особенно важен для квантовых компьютеров и космической электроники. Квантовые системы часто работают при температурах около 4 К, а космические аппараты сталкиваются с резкими перепадами температур. Если электроника сможет стабильно работать в диапазоне от нескольких кельвинов до сотен градусов, это может снизить потребность в громоздких системах термозащиты и охлаждения. В будущем исследователи планируют создавать на основе β-Ga₂O₃ радиочастотные транзисторы, фотодетекторы, ячейки памяти и более сложные криогенные чипы.

Учёные из Университета Аделаиды разработали способ наблюдать активность транзисторов внутри микросхемы прямо во время её работы. Для этого используется лабораторная установка с vector network analyzer, частотным преобразованием сигнала в терагерцовый диапазон и приёмником, который улавливает едва заметные изменения отражённой волны. Когда чип выполняет вычисления, переключения транзисторов меняют сигнал, и именно по этим микроскопическим изменениям исследователи могут понять, что происходит внутри процессора в реальном времени.

Главная ценность этого подхода в том, что он открывает новые возможности для диагностики, тестирования и анализа микросхем, причём не после отключения питания, а во время живой работы чипа. Это может оказаться очень важным для полупроводниковой индустрии, где всё сложнее становиться понять, как ведут себя современные микросхемы под реальной нагрузкой. Исследователи фактически показали новый способ заглядывать внутрь процессора без классического разрушительного анализа.

Но технология пока далека от массового внедрения. Наиболее серьёзная проблема — сложные многослойные конструкции, включая чипы с 3D-стэками и chiplet-архитектурой. В таких случаях терагерцовому сигналу трудно точно определить, из какого именно слоя приходит отражение, особенно если верхние слои непрозрачны для метода. Команда рассматривает способы повысить чувствительность системы, чтобы лучше работать с такими плотными структурами.

Есть и другая сторона этой разработки — вопрос безопасности. Если технология со временем станет точнее и компактнее, она теоретически может использоваться не только для тестирования, но и для попыток считывать активность чипа во время работы. Tom’s Hardware отдельно подчёркивает, что в будущем это может стать основой для новых атак на данные, потому что процессор в любом случае должен работать с информацией в расшифрованном виде. Пока это скорее потенциальный риск, но уже сейчас он выглядит достаточно серьёзно, чтобы о нём задумались заранее.

Закралась у меня идея вспомнить былые времена типа этих (Как я делал шпору, а в итоге получилась игра "змейка"), взять паяльник в руки и спаять все самому.

Но мне было бы лень если бы не заметил как мой отец очень часто смотрит телек, в котором в последнее время показывают политические шоу, обильно обмазанные непонятно чем с рекламой с двух сторон. В итоге отрываем отца от телека, сажаю его рядом с собой и вместе с ним собираю это устройство.

Для устройства нам понадобится всего лишь...

Много чего понадобится на самом деле, в основном азы программирования микроконтроллеров, азы радиоэлектроники и много радиоэлементов. Ниже уточню конкретнее что именно было использовано

Как должно работать устройство

Устройство должно работать следующим образом: подключаешь к устройству лампу или другой тестируемый прибор, включаешь устойство и оно начинает включать-выключать прибор пока он не сгорит.

Должен быть индикатор на котором отображается поптыка включения устройства. Если тестируемое устройство (лампа) сгорело, то счестчик попыток должен остановиться и точно показать на какой попытке произошел выход из строя тестируемого оборудования.

Плюсом была бы возможность регулировать частоту включения-выключения / настраивать продолжительность удержания устройства во включенном или выключенном состоянии. Пока это все требования.

Микроконтроллер и программатор

Устройство будем собирать на базе МК Atmega32 в таком вот корпусе как на картинке (рублей 160 стоит на Али). В качестве програматора использую программатор USB ISP v2.0:

Программатор стоил рублей 200 Авито. Хороший он или нет... Да мне это не так важно, задачу свою выполнил и ладно. Ну и мелочевку заказал: разьемы за 60 руб с Али и штук 5 индикаторов за 150 руб с того же Али.

Вроде пока ничего сложного, ну разве что у индикатора 4 разряда с точками и на все это дело 12 ног. А это значит что в индикатор уже вшита идея переключения разрядов через 4 ноги.

Разряды переключаются минусом, а сегменты зажигаются плюсом. Мультиметром прозваниваем и находим что к чему относится. У МК потребуется 11 ног на отображение счетчика: 7 на цифру и 4 на переключение между цифрами.

Подключаем индикатор, пробуем, видим как все работает:

Единственное что тайминг на мультиплексирование нужно настроить. Приложу программный код, сможете глянуть на него подробнее кому интересно. Мультиплексирование - это как раз то, как будет выводится счетчик, вернее разряды числа: МК быстро меняет разряд переключая плюс на минус (одна из 4-х общих ног разряда) и выставляет плюсами цифру на сегменте (другие 7 ног цифры). Так он проходит быстро по всем цифрам и мы видим итоговое число.

Работа с лампой

Был такой канал на ютуб где человека сильно било током когда он ошибался. Или его устройство полностью сгорало. Это происходило и у меня пока я собирал свой блок питания. Сжег много чего в т.ч. и конденсаторы на 50В 100мкФ. Хлопали они знатно, теперь мне известно для чего делают эти насечки на крышках:

Большинству насечка почему-то не помогала и они взрывались так, что я все же решил одеть защитные очки и накрывал устройство книжкой, готовил обьяснения на случай если кто-то заявит на выстрелы. Но большинство (7 из 10) конденсаторов выжило, "встало в рабочую колею", наростило оксидную пленку 😂

Счетчик работает (проект на Github), далее нужно включать-выключать лампу и узнавать когда она перегорела. Идей насчет того как это сделать особо много не было и пытался наколхозить что-то типа реле из своего соленоида:

Но придумывать велосипед - это дело такое себе. Через пару попыток решил просто купить реле в магазине, а вернее 2 реле:
- работает от 12В (доп. блок питания), коммутитрует переменные 220В для включения и выключения лампы
- работает от 24в (блок питания лампы) и будет индикатором работы лампы
И да, нужен транзистор для запуска реле (КТ817Б), который получает сигнал на базу от МК (используем +1 ногу МК) через резистор 1кОм. На видео его ноги в центре.

Красивую схему рисовать не буду, извиняйте, но вот видео того, что получилось:

Это не фоновая музыка, а щелчки реле, коммутирующего 220 В с частотой 1 раз в 0,5 секунды.

Серая коробочка справа — это блок питания (220 В → 12 В). Сверху расположено силовое реле, которое коммутирует 220 В и включает лампу. В цепи лампы находится катушка вспомогательного реле (снизу). Блок питания питает лампу через это вспомогательное реле.

Другие контакты вспомогательного реле подключены к микроконтроллеру (МК). Когда лампа перегорает, цепь размыкается, и сигнал на МК перестаёт поступать (счетчик не работает). Для этого используем одну ногу МК.

Итого по ногам: 4+7 (LED) + 1 (на транзистор для коммутации лампы) + 1 (на замыкания ноги МК для уведомления о состоянии лампы) = 13 ног.

Первое время пробовал коммутировать лампу таким реле:

Это качественное реле с атомной подлодки. Корпус латунный, снизу контакты в стекле, конструкция надежнейшая, провода мгтф, смотрите сами. Ему, наверно, более 50 лет и чего оно только не пережило, но не меня 😂 Мне примерно так и было это все сказано после того как сломал его 😂

Так удалось сжечь лампу или нет?

Нет, не удалось. Счетчик натикал 9999, потом еще раз 9999. В сумме (примерно) 2 года работы лампы сымитировал по 30 включений-выключений в день.
Уже тайминги настроил разные на случай, если встроенный БП лампы не успевает разрядиться после снятия питания, но лампа на стенде так и не сгорела. Да что такое ! 😂😂😂 Значит дело не в циклах включения/отключения. Нужно изучать процессы в лампе чем-то более серьезным чем мультиметр 😂

Осцилограф пока приобретать не планирую, как-нибудь после покупки сервера займусь этим. Но им было бы очень здорово проверить что происходит с лампой на каждом этапе ее работы.

Ссылка на проект на Github

Что с сервисом для общения?

Пока в процессе работы над чатами. Дело движется медленно, но уверенно. В основном работаю над обменом сообщениями, удалением сообщений, удалением чатов и прочими ситуациями.

--
Вообще, по вечерам больше не паяю, а делаю отечественный сервис для общения. Кому интересно, можете подписаться куда-нибудь на меня, попробуете сервис в числе первых.
Постепенно буду продолжать делиться успехами разработки.

История особого транзистора, находившегося в самом центре легендарной драм-машины

В 1970-х и 80-х, в золотую эпоху дизайна синтезаторов, несколько производителей выделялись постоянно высоким качеством своей продукции и прекрасными электронными схемами. Во многих случаях ситуацией заправляли японские компании, их инструменты были результатом прекрасной работы инженеров, причём как изнутри, так и снаружи – качественные корпуса, печатные платы и прекрасный выбор компонентов позволяли создавать надёжную электронику. Компания Roland славилась и славится своими синтезаторами и другими инструментами, и одним из самых влиятельных и известных из них была драм-машинаTR-808. Её влияние на современную музыку и культуру 1980-х было, мягко говоря, беспрецедентным. Она существует уже почти 40 лет, за ней охотятся многие ценители, музыканты любят её использовать, и она редко появляется на рынке подержанных инструментов.

У TR-808 интересная история, и неудивительно, поскольку жизненный путь основателя компании Roland, Икутаро Какэхаси, невероятен. Начало его жизни отмечено удивительными творческими порывами, упорством и стремлением к цели; он сталкивался и преодолевал такие препятствия, которые заставили бы большинство людей сдаться. Его историю стоит прочесть как пример неукротимой настойчивости и силы духа.

Какэхаси был прекрасным инженером-разработчиком, он создавал ранние продукты Roland, одновременно развивая и управляя компанией, и путешествуя по миру с рекламой её инструментов. Инструменты на основе твердотельной электроники были редкостью, когда он только основал Acetone, а затем и Roland. Затем, к началу 1980-х процессы изготовления компонентов уже достаточно хорошо развились, но в каждой партии полупроводниковых элементов, интегральных схем и транзисторов, существовал довольно большой процент отбраковки – возможно, из-за неровного качества материалов подложки, температурных колебаний, и так далее. Производители проверяли каждую партию, размечали элементы в зависимости от их электрических характеристик, и маркировали их соответствующим образом перед отправкой. В каждой партии могло появиться несколько транзисторов различного типа, в зависимости от качества их работы. Некоторые так сильно отличались друг от друга, что их просто забраковывали. Они могли работать вполне неплохо, просто не вписываться в характеристики любого из пунктов номенклатуры. И здесь начинается странная глава истории Roland TR-808 Rhythm Composer.

Отвергнутый транзистор в центре Roland TR-808

На фото выше показаны особые транзисторы. Номер детали проставлен от распространённого транзистора 2SC828-R. Их уже не выпускают, но они ещё продаются у множества поставщиков электроники, и стоят не более 30 центов за штуку. Это простые n-p-n транзисторы общего назначения, используемые в аудиотехнике и переключателях. «R» означает рейтинг усиления постоянного тока. Их производили несколько компаний, в том числе, Toshiba и Panasonic. Технически говоря, напечатанные на этих транзисторах символы некорректны, они на самом деле не относятся к серии 2SC828 – это, по сути, отбракованные транзисторы, на которых всё ещё напечатан номер детали 2SC828-R, но которые не прошли тестирование на производстве.

В этой статье речь идёт о небольшой партии транзисторов, которых отвергли на основании «несоответствия спецификации», а затем продали компании Roland. Мазок краски на верхней части транзистора отмечает их уникальность и крайнюю редкость. Краску нанесли на фабрике Roland в конце 1970-х, чтобы отметить, что эти транзисторы имеют уникальные характеристики, и их можно использовать в качестве источника шума в новой драм-машине TR-808 Rhythm Composer.

Как именно Какэхаси наткнулся на эти детали, неизвестно, хотя у него должны были быть связи с производителями деталей, использовавшихся компаниями Acetone и Roland. Часть этой истории он рассказывает самостоятельно, в конце прекрасного документального фильма 2015 года "808". Там он говорит, что при производстве партии из 10 000 транзисторов лишь 2-3 процента могли оказаться «дефектными», и он приобретал эти отвергнутые детали, становившиеся жизненно необходимыми для «резкого» звука TR-808. Он сказал, что с улучшением производственных процессов он столкнулся с отсутствием таких бракованных транзисторов, что привело к невозможности производить новые TR-808. Вот насколько важным был этот транзистор для создания уникального звука TR-808. После того, как было сделано 12 000 единиц TR-808, производство закрылось. Эти транзисторы активно обсуждали после выхода документалки, и они набрали достаточно много фольклора, поэтому мы решили, что сможем заполнить некоторые детали истории и показать вам их фотографии крупным планом.

Можно ли клонировать TR-808?

Пока что невозможно создать идеальную аналоговую копию Roland TR-808 без таких транзисторов. Некоторые компании делали клоны, некоторые энтузиасты пытались самостоятельно сделать версию инструмента при помощи стандартных 2SC828, но обнаруживали, что они звучат совсем не так. Всё оттого, что не существует другого транзистора с точно таким же спектральным профилем шума и выходным уровнем, как 2SC828-RNZ, выпущенные в 1970-х, и использованные в производстве TR-808. Если в TR-808 выходит из строя транзистор, его можно заменить только таким же транзистором из оригинальной партии, или он уже не будет звучать по-прежнему. Когда у Roland закончились эти транзисторы, компании пришлось прекратить выпуск инструмента, поскольку характеристики шума были критически важными для звучания малых барабанов, хлопков и белого шума, который затем фильтровали в розовый шум и использовали для других инструментов. Если установить стандартный 2SC828-R в TR-808 вместо избранных, то звук совершенно меняется. Как я уже упоминал, эти транзисторы, строго говоря, нельзя назвать 2SC828, иначе их бы не отвергли. К счастью, транзисторы не склонны к выходу из строя, поэтому, если у вас есть 808-й, вам не надо беспокоиться по этому поводу.

Примечание: в конце статьи будет дано дополнение, где написано, что на самом деле альтернатива транзистору всё же была найдена.

Что вообще такое «шумовой транзистор»?

Люди, знакомые с аналоговыми синтезаторами, знают, что в качестве источников звука эти инструменты используют не только осцилляторы, но и генераторы шума. В зависимости от типа требуемого звука, вы можете использовать генераторы «белого» или «розового» шума. Розовый шум обычно представляет собой белый шум, пропущенный через фильтр и затем усиленный. Также генератор шума в синтезаторе – это хороший источник случайного напряжения для устройства выборки и хранения. Некоторые синтезаторы используют цифровой источник шума, но большая часть использует особенность полупроводникового перехода, возникающую при попадании в область пробоя благодаря обратному смещению. Если подсоединить диод задом наперёд и ограничить ток, повышая напряжение до уровня пробоя диода, он выдаёт шум. Ещё лучше подходит биполярный транзистор, и если посмотреть на схему из инструкции для TR-808, видно, что у транзистора Q35 подсоединено только два контакта из трёх. Этот переход и служит источником белого шума. Характерный тихий шум усиливается и выдаётся на барабаны и хлопки, а потом скармливается фильтру для получения розового шума для томтомов.

Хитрость в том, что нельзя предсказать, какой именно шум будут выдавать конкретная модель транзистора, диода или стабилитрона. Этот шум никогда не бывает чисто белым, у каждой его части есть свой спектр и уровень, и каждый тип звучит по-своему. Некоторые синтезаторы используют диоды, некоторые – транзисторы. Но в драм-машине тип шума чрезвычайно важен. Источник шума был самым важным компонентом TR-808 и TR-909, поскольку он был неотъемлемой частью звука, особенно для барабанов. Поэтому для производства 808 и 909 необходимо было тщательно выбирать шумовые компоненты. В TR-909 с этим проблем не было, там использовалась интегральная схема сдвигового регистра, выдававшая квазислучайный белый шум. А TR-808 был чисто аналоговым, поэтому транзисторы необходимо было тщательно отбирать и совмещать, иначе каждый 808-й звучал бы по-своему, и такое положение вещей было бы неприемлемым.

Как получить звук TR-808

Хотя сегодня произвести аналоговую копию TR-808 довольно сложно, для музыкантов, желающих воспользоваться звуком и ощущением оригинального инструмента, но не способных найти или позволить себе купить этот редкий синтезатор, есть довольно неплохая альтернатива. Уникальный шум 2SC828-RNZ можно проанализировать, а потом точно смоделировать в цифровом виде. Мы недавно проверяли новую драм-машину Roland TR-08 и сравнивали её с оригинальной TR-808, и, конечно же, TR-08 звучала почти неотличимо от TR-808 – разница была такой же, как между разными экземплярами одной партии TR-808. «Конечно же» я пишу потому, что инженеры Roland прекрасно справляются с созданием схем. Они практически довели их до совершенства в своей серии Boutique, и разработчики наверняка анализировали один из оригинальных транзисторов и моделировали точную спектральную картинку шума, а потом использовали её как модель для источника шума в TR-08. В итоге сама компания Roland пришла на выручку следующему поколению музыкантов, использующих TR-808 musicians.

Не забывайте, что если у вас есть оригинальная TR-808, или другая драм-машина из серии TR, особенно TB-303 или TR-606, то их самым слабым местом является протекающая батарея. Меняйте их регулярно!

Дополнение к оригинальной статье: анализ звука загадочного транзистора

Недавно я сделал копию схемы источника шума из TR-808. При спектральном изучении модели мы подтвердили, что «дефектный» 2SC828 R-NZ действительно отличается от штатных 2SC828, что говорит в пользу заявлений Какэхаси об уникальности использованных им транзисторов.

На основе простых испытаний на слух становится ясно, что штатный транзистор 2SC828 действительно нельзя назвать хорошим вариантом для установки в 808-й. У штатных транзисторов, прошедших заводскую проверку, качество шума варьируется, и очень сильно зависит от партии. Также наблюдается большое различие между разными марками. Штатные 2SC828 от одного производителя могут звучат гораздо громче и зернистее других. По сравнению со штатными транзисторами, «дефектные» варианты 2SC828 звучат тише, звук их шума очень ровный и нейтральный. Он гладкий, и звучит как мягкий белый шум.

Поэтому я задумался над тем, не допустили ли ошибку при переводе интервью – никакого «резкого» звука в шуме 2SC828 R-NZ не наблюдается, наоборот, он более шелковистый – возможно, Какэхаси имел в виду, что этот источник гладкого шума приглушал резкие компоненты других генераторов звука.

Следующий кусочек головоломки, который может обрадовать людей, делающих клоны 808-го – в двух синтезаторах, которые я ремонтировал после написания оригинальной статьи, шумовой транзистор был хоть и оригинальным, но не 2SC828-R NZ. В одном случае это был 2SC536, а в другом — 2SC945. Оба были отмечены краской, и, очевидно, выбраны специально. Я послушал их звучание на моём проверочном оборудовании, и оба они звучат ближе к 2SC828-R NZ, чем к стоковому 2SC828. Возможно, к концу производства Roland подбирала другие альтернативы закончившимся дефектным транзисторам.

Поэтому, как ни удивительно, оказалось, что не в каждом TR-808 использовался бракованный транзистор 2SC828. И, то, что выбранный экземпляр 2SC945 был установлен в оригинальном TR-808, подтверждает подозрения многих людей – поскольку в драм-машине TR-606 тоже использовался маркированный 2SC945. Возможно, 2SC945 был ближайшим из последователей, и самым похожим на бракованные 2SC828, который смогла найти Roland?

Я упомянул ещё один транзистор, который я недавно обнаружил в качестве оригинального шумового транзистора в TR-808 – 2SC536. Я проверил несколько таких транзисторов из разных партий, и он тоже довольно близко подходит к требуемому уровню – не настолько гладкий, как 2SC945, но уровень шума тот же. Был и подвох – транзистор из одной партии, корпус которого был меньше размером, звучал совсем не так, как 2SC536 в распространённом корпусе TO92, так что, возможно, именно из-за большой разницы между партиями Roland в итоге остановилась на 2SC945.

Я был удивлён разницей в уровне шума и качества между различными марками одного и того же транзистора, из-за чего испытание и сравнение сейчас стали более сложными, чем во времена выпуска TR-808 – сейчас производителей и марок стало гораздо больше. Некоторые из прослушанных нами 2SC828 звучали громко и резко, другие – довольно близко к звуку «дефектного» транзистора, поэтому, если вы пытаетесь сделать свой клон, имеет смысл попробовать различные марки и выбрать лучшую.

В первой части статьи я писал, что сделать идеальный клон без 2SC828-R NZ невозможно. Однако все испытания, проделанные мною с тех пор, показали, что вполне возможно подойти к этому достаточно близко, найдя подходящий 2SC945P. Следующий шаг – использовать 2SC828-R NZ в качестве эталона, и разработать оборудование, при помощи которого можно будет выбирать и оценивать различные 2SC945P на близость их соответствия.

Оригинальная статья